D50型U渠专用测流堰的结构设计及性能研究

王军++李永业++孙西欢

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.120

摘要：为了进一步研究渠道水力特性，完善渠道量水技术，实现灌区用水量的有效监测控制，以D50型U渠为例，基于堰流原理，设计了一套由三角型、平顶型和复合型组合而成的便捷式测流装置，并以流量、断面位置等因素为变量因子，对不同工况下渠道断面的流速、水位进行测定分析。结果表明：测流装置的安置会引起上游渠道水流流速和水位的分布变化；随着测流装置安置位置与测试断面的距离增大，水流流速先增大后趋于稳定，水位先下降后趋于稳定；各断面的水位随着流量的增大而增大，二者呈幂函数关系或多项式关系，且这种关系会因测流装置的不同而表现出差异；三角型测流装置适用于小量程测流，平顶型测流装置使用于大量程测流，复合型测流装置的测流量程最大。该研究成果可为促进农田节水灌溉、优化水利资源管理提供技术支撑。

关键词：渠道；D50型U渠；测流装置；结构设计；量测范围；水力特性

中图分类号： TV132+.2；TV135.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0410-04

收稿日期：2016-04-14

基金项目：国家自然科学基金（编号：51109155、51179116）；山西省自然科学基金（编号：2015011067）。

作者简介：王军（1974—），男，山西文水人，博士，高级工程师，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：sxsltwj@163.com。

通信作者：孙西欢，教授，博士生导师，主要从事工业水力学的研究。E-mail：sunxihuan@tyut.edu.cn。面向当前建设现代化节水型灌区的现实需求[1]，国内外众多学者在渠道流量监测领域展开相关研究：马孝义等结合工程实际指标评测了抛物线形喉口式、直壁式和直壁式量水槽在多泥沙渠道中的测流应用情况[2]；王竹青根据大型渠道中超声波法的测流结果得出平整的渠道过水断面有利于提高测量精度[3]；李效贤基于实际的大型渠道测流工程应用比测得出超声波法测流值大于流速仪测流值且测流精度属于同一数量级[4]；王家琪等设计了一种可与节制闸或进水闸配套使用且具备水位流量调控功能的的调节型渠道测流装置[5]；戚玉彬等提出了适用于小型U型渠道的抛物线形移动式量水堰板和便携式量水槽2组量水设施的设计原理并对其适用性进行了分析[6]。与矩形和梯形渠道相比，U型渠道在近几年我国灌区工程改造中的推广和应用尤为广泛，逐步成为斗渠以下渠道的主要断面改造形式[7]。本研究主要提出与D50型U渠配套使用的便携式测流装置的结构设计，旨在进一步满足大多数灌区“斗口计量”的应用需求。

1试验与测流装置设计

1.1试验系统

试验系统U型渠道断面见图1，试验系统示意见图2。试验过程中采用长17.0 m的正坡渠道，坡度为1/1 000，断面左右对称；试验前采用水准仪和直尺进行渠道调平和坡度校正，保证U型渠道左右水平对称，并安置测流装置，对将要进行水位和流速测量的断面位置做标记；试验时在渠道既定位置安设测流装置，离心泵动力抽水通过管道至U型渠道，渠道上游设有贮水池和稳流装置，以便水流较为平稳地进入渠道；水流最终从渠道下游流入尾水槽，并经退水渠流入地下水库，尾水槽中同样设有稳流板，以保证退水渠中的水面较为稳定，方便退水渠中的直角三角堰[8]对流量的准确测定。

1.2测流装置结构设计

测流装置采用聚氯乙烯（PVC）塑料，用云石胶黏合在渠道中固定；安置过程中必须保证测流装置轮廓与U型渠道断面形状完全重合，左右顶点高程相同；三角型测流装置、平顶型测流装置和复合型测流装置的形状尺寸见图3。

1.3测试方案

试验中，在U型渠道确定位置（距离渠道进口10 m处）依次对三角测流装置、平顶测流装置和复合测流装置进行安置并对不同工况下的水流特性进行测量。三角测流装置情况分别在Q=5、15、25、35、45 m3/h的流量下进行测量，平顶测流装置情况分别在Q=15、45、75、105、135 m3/h的流量下进行测量，复合测流装置情况分别在Q=5、15、25、75、105、135 m3/h 的流量下进行测量，其中流量靠退水渠中的直角三角形堰确定。将U型渠道测流装置上游距其50、270、490、710、930 cm的断面确定为测量断面， 在上述的情况下对这5

个断面中心线上的水位和如图4所示的断面测点（表1）流速进行测量，其中用直尺测量水位，用LGY-Ⅱ型智能流速仪测量流速。

2结果与分析

2.1测流装置上游渠道水流的沿程速度分布特征

由图5分析可得：在安设测流装置之后，对于特定流量特定测点位置的流速数据，随着与测流装置距离的增加，流速呈现出一种先增大、继而保持一段稳定状态、最后再有所减小的趋势。因为所有测点的流速数据都呈现出这样的趋势，可以说断面平均流速沿程变化的规律就是如此。具体来看，流速在前3个断面会逐渐变大，4#断面与3#断面的流速基本没有差异或略有增大，而在5#断面，流速会有较为明显的减小。由于5#断面与U型渠道的进口处相距较近，而进口处断面的突变会对流态造成一定程度的影响，所以在测量5#断面的流速时，数据有时并不稳定，可能会造成误差，与总结的规律会有所差别。这种现象不难解释，顺水流方向，水在正坡的渠道中流动，水位会有所降低，但在本试验中，由于测流装置的存在，上游附近的一段距离内水被壅高，水位反而有所增加。在流量一定渠道断面不变的情况下，水位的降低或升高会导致过水断面减小或增大的变化，从而使流速有了变大或变小的趋势。在测流装置形状确定的情况下，固定断面的流速会随着流量的增大而增大。而通过3种测流装置情况下图像的比较，可以看出其形状会影响上游断面的流速大小，其规律为：复合测流装置情况下的流速比三角测流装置情况下的小，但比平顶测流装置情况下的大。

2.2测流装置上游渠道水流的沿程水位分布特征

由图6可知：对于任何一种测流装置，在流量确定的情况下，随着上游断面与测流装置距离的增加，水位先下降，在一段稳定的状态之后又有所上升。因为测流装置的存在，上游1#～3#断面的水位被壅高，直到4#断面处，水位才基本保持稳定，可以说，测流装置对上游水位的影响一直持续到4#断面。

2.3基于水位流量关系的测流装置测流原理分析

不同测流装置的沿程水位分布图不仅能反映沿程水位变化的趋势，还能进一步反映确定断面的水位流量关系，即在断面位置确定的情况下，水位随着流量的增大而上升。以不同测流装置前4个断面为例绘制图7，并拟合出定量的关系式。在拟合上述水位流量关系曲线时，分别用多项式拟合、指数函数拟合、幂函数拟合等方式进行了尝试，其中幂函数拟合非常精确，r2接近1，图像的趋势较为合理，且各断面的水位流量关系式也很接近。

由图7可以看出：测流装置形状的不同所造成的水位流量关系拟合函数之间的差异是很大的，其中复合测流装置和三角测流装置用幂函数拟合较为合适，而平顶测流装置用多项式拟合更好。从1#断面到4#断面，这种差别几乎没有改变，可见测流装置的形状对渠道上游断面水位流量关系的影响是较大的，也可以说对上游水流水力特性的影响是较大的，这种影响在一段较长的距离内都很明显。

本研究还探讨了不同测流装置的堰上水头与流量的拟合关系式，以便在实际中容易测出水位的情况下，直接计算出流量的数值，为农业节水灌溉和水资源利用管理提供更多的理论支撑。堰上水头为堰顶的上游水面超出堰顶的高度，一般以H表示，试验中，1#断面距离测流装置为50 cm，可以将1#断面中心线水位与堰顶高度之差作为堰上水头，进而讨论不同测流装置情况下堰上水头与流量的关系。对于复合测流装置，堰上水头与流量的关系会因水位是否超过其顶部而异，所以拟合出的关系式应该有2个，根据图3-c中所示的测流装置形状尺寸，1#断面水位低于21.3 cm时为第1种情况（图3-C左），1#断面水位高于21.3 cm时为第2种情况（图3-C右），由于流量数据较少会影响二者关系的拟合效果，所以试验中加测几组堰上水头与流量的数据，具体情况如图8所示。

由图8可见：三角测流装置情况下的拟合式为Q=0.021 2H2.815 3，平顶测流装置情况下的拟合Q=3.016 2H1.581 3，复合测流装置水位未淹没装置顶端情况下的拟合式为Q=0.040 6H2.617 3，水位淹没装置顶端情况下的拟合式为Q=0.021 2H2.743。该拟合公式可以较好地指导此套测流装置在实际工程中的应用。

3结论

在安设测流装置之后，在流量确定的情况下，随着与测流装置距离的增加，流速数据会呈现出先增、继而稳定、后减的趋势。具体来看，流速在前3个断面会逐渐变大，4#断面与 3# 断面的流速基本没有差异或略有增大，而在5#断面，流速会有较为明显的减少。

在测流装置形状确定的情况下，上游固定断面的流速会随着流量的增大而增大。并且，复合测流装置情况下的上游流速比三角测流装置情况下的小，但比平顶测流装置情况下的大。对于任何一种测流装置，在流量确定的情况下，随着上游断面与测流装置距离的增加，水位先下降，在一段稳定的状态之后又有所上升。

为了在实际中更好地应用有关理论，分别拟合了不同测流装置情况下的堰上水头与流量的关系式，以便在实际中容易测出水位的情况下，直接计算出流量的数值。

参考文献：

[1]俞双恩，左晓霞，赵伟. 我国灌区量水现状及发展趋势[J]. 节水灌溉，2004（4）：35-37.

[2]马孝义，王文娥，吕宏兴，等. U形渠道量水槽的性能分析与筛选研究[J]. 农业工程学报，2002，18（4）：44-49.

[3]王竹青. 超声波流量计在大型渠道测流中的应用[J]. 节水灌溉，2007（2）：63-64， 66.

[4]李效贤. 大型渠道超声波法与流速仪法测流比对试验[J]. 中国农村水利水电，2006（8）：107-108， 112.

[5]戚玉彬，张月云，罗江海. 小型U形渠道适宜量水设备浅析[J]. 中国农村水利水电，2007（12）：71-73.

[6]王家琪，吕宏兴，周美林，等. 过流调控型渠道测流装置试验研究[J]. 灌溉排水学报，2015，34（9）：24-27.

[7]纪淑庆. U型渠在农业供水末级渠系中的推广应用[J]. 河南水利与南水北调，2009（12）：26-34.

[8]吴持恭. 水力学[M]. 2版.北京：高等教育出版社，1987.